Ray tracing: qué es el Trazado de rayos y cómo cambiará los videojuegos
El Trazado de rayos (Ray tracing, en inglés), es la técnica de iluminación virtual que aporta un aspecto realista a los mejores juegos de hoy en día. Esta técnica simula la manera en que la luz se refleja y rebota sobre diferentes objetos y superficies, dando un mayor realismo a los entornos de los juegos que por lo general utilizan sistemas de iluminación estáticos. Pero, ¿qué es el trazado de rayos exactamente? Y más importante aún, ¿cómo funciona?
Una buena tarjeta de video puede utilizar esta técnica para aumentar la inmersión de los videojuegos, pero no todas son capaces ni tienen la potencia suficiente para hacerlo. Por lo tanto, a continuación explicaremos algunos detalles importantes sobre el ray tracing para que evalúen si vale la pena gastar tanto dinero en una nueva GPU.
Antes del Trazado de rayos: fotones virtuales
Si queremos comprender cómo funciona exactamente el revolucionario sistema de iluminación de Trazado de rayos, debemos dar un paso atrás y entender cómo los juegos proporcionaban los efectos de luz anteriormente.
Los juegos sin Trazado de rayos dependen de la iluminación estática “horneada”. Los desarrolladores colocan fuentes de luz dentro de un entorno que emite luz de manera uniforme en cualquier vista. Además, los modelos virtuales como NPC (“Personaje no jugable”, por sus siglas en inglés) y los objetos no contienen información sobre ningún otro modelo, lo que requiere que la GPU calcule el comportamiento de la luz durante el proceso de renderizado. Las texturas superficiales pueden reflejar la luz para imitar el brillo, pero se trata solo de una luz emitida por una fuente estática. Tomen como ejemplo los reflejos de GTA V, en la foto a continuación.
En general, la evolución de la GPU ha ayudado a que este proceso se vuelva más realista en apariencia a lo largo de los años, pero los juegos aún no son fotorrealistas en términos de reflejos, de refracciones e iluminación general del mundo real. Para lograr esto, la GPU necesita la capacidad de rastrear rayos virtuales de luz.
En el mundo real, la luz visible es una pequeña parte de la familia de radiación electromagnética percibida por el ojo humano. Contiene fotones que se comportan como una partícula y como una onda. Los fotones no tienen tamaño ni forma reales, solo se pueden crear o destruir.
Dicho esto, la luz podría identificarse como una corriente de fotones. Cuantos más fotones tenga, más brillante será la luz percibida. La reflexión ocurre cuando los fotones rebotan en una superficie. La refracción ocurre cuando los fotones, que viajan en línea recta, pasan a través de una sustancia transparente y la línea se redirige o se “dobla”. Los fotones destruidos pueden ser percibidos como “absorbidos”.
El Trazado de rayos en los juegos intenta emular la forma en que funciona la luz en el mundo real. Traza el camino de la luz simulada rastreando millones de fotones virtuales. Cuanto más brillante sea la luz, más fotones virtuales debe calcular la GPU y más superficies reflejará, refractará y dispersará.
El proceso no es nada nuevo. CGI (Imagen generada por computadora, por sus siglas en inglés), ha utilizado el Trazado de rayos durante décadas, aunque el proceso requirió granjas de computadoras en los primeros días para generar una película completa, dado que un solo cuadro podría tomar horas o incluso días para renderizarse.
Ahora las computadoras domésticas pueden emular gráficos con Trazado de rayos en tiempo real, aprovechando la aceleración de hardware y los trucos inteligentes de iluminación para limitar la cantidad de rayos a un número manejable.
Pero aquí está la verdadera revelación: como en cualquier película o programa de televisión, las escenas en animación CGI generalmente se “filman” utilizando diferentes ángulos. Para cada cuadro, se debe mover una cámara para capturar la acción, acercar, alejar o desplazar un área completa. Al igual que la animación, debe manipular todo cuadro por cuadro para emular el movimiento. Junta todas las imágenes y tendrás una historia fluida.
En los juegos, controlas una sola cámara que está en movimiento y siempre cambia el punto de vista, especialmente en los juegos de ritmo rápido. Tanto en CGI como en juegos de Trazado de rayos, la GPU no solo debe calcular cómo se refleja y refracta la luz en una escena determinada, sino, que también, debe calcular cómo es capturada por la lente, tu punto de vista. En los videojuegos, esto se traduce en una enorme cantidad de trabajo computacional para una sola PC o consola.
Desafortunadamente, todavía no tenemos computadoras a nivel de consumidor que realmente puedan generar gráficos con Trazado de rayos a altas velocidades de cuadros. Eso sí, tenemos hardware que pueden engañar de manera efectiva.
Vamos a lo real
La similitud fundamental del Trazado de rayos con la vida real lo convierte en una técnica de renderizado 3D extremadamente realista, incluso haciendo que el juego de bloques Minecraft se vea muy real en las condiciones adecuadas.
Solo hay un problema: es difícil de simular. La recreación de la forma en que la luz realmente funciona en el mundo es complicada y consume muchos recursos, lo que requiere grandes cantidades de potencia informática.
Es por eso que las opciones de Trazado de rayos existentes en los juegos, como el desarrollado por RTX de Nvidia, no son reales. No son un verdadero Trazado de rayos, porque se simula cada punto de luz. En cambio, la GPU nos “engaña” al usar varias aproximaciones inteligentes para ofrecer algo cercano al mismo efecto visual, pero sin ser tan exigente con el hardware. Es probable que esto cambie en las futuras generaciones de GPU, pero por ahora, este es un paso en la dirección correcta.
La mayoría de los juegos con Trazado de rayos ahora usan una combinación de técnicas de iluminación tradicionales, típicamente llamadas rasterización, y Trazado de rayos en superficies específicas, como charcos reflejantes y estructuras metálicas.
Battlefield V es un gran ejemplo de eso. Ves el reflejo de las tropas en el agua, del terreno en los aviones y de las explosiones en la pintura de un automóvil. Es posible mostrar reflejos con los procesadores de video 3D modernos, pero no al nivel de detalle que se muestra en juegos como Battlefield V cuando el Trazado de rayos está habilitado.
El Trazado de rayos se puede aprovechar para que las sombras tengan un aspecto más dinámico y realista. Verás que eso solía tener un gran efecto en Shadow of the Tomb Raider.
La iluminación con Trazado de rayos puede crear sombras muy realistas en escenas oscuras y brillantes, con bordes más suaves y mayor definición. Lograr ese aspecto sin Trazado de rayos es extraordinariamente difícil.
Los desarrolladores solo pueden “simularlo” mediante el uso cuidadoso y controlado de fuentes de luz preestablecidas. Eso requiere mucho tiempo y esfuerzo, e incluso entonces, el resultado no es del todo correcto. Debido a eso, las medias tintas, como solo las sombras de Trazado de rayos o las superficies reflejantes, son populares.
Algunos juegos van con todo y usan el Trazado de rayos para la iluminación global en una escena completa. Pero, eso es lo más costoso desde el punto de vista computacional y necesitarás la más poderosa de las tarjetas gráficas modernas para que funcione de manera efectiva. Metro Exodus lo usa actualmente, pero su implementación no es perfecta.
Otros, aprovechan las tecnologías de Nvidia, como la eliminación de ruido y el DLSS (Super muestreo de aprendizaje profundo, por sus siglas en inglés), para mejorar el rendimiento y cubrir algunos de los problemas visuales que se producen al generar menos rayos de los que serían necesarios para crear una escena verdaderamente con Trazado de rayos.
Estas tecnologías todavía están reservadas para capturas de pantalla y películas prerrenderizadas, donde, los servidores de alta potencia pueden pasar días renderizando fotogramas individuales debido a la gran carga de procesamiento que eso significa.
El hardware detrás de los rayos
Para procesar estas implementaciones, relativamente modestas de Trazado de rayos, la generación de tarjetas gráficas RTX de Nvidia introdujo hardware específicamente diseñado para el Trazado de rayos.
La arquitectura de Turing utiliza los núcleos RT de la compañía para manejar la técnica en tiempo real. No son estrictamente necesarios para el efecto de Trazado de rayos, ya que estos, se pueden ejecutar en las tarjetas gráficas GTX serie 10 y serie 16, aunque son mucho menos capaces que las tarjetas RTX de primer nivel como las 2070, 2080 y 2080 Ti, todas las cuales tienen núcleos RT.
Nvidia liberó un comunicado de la generación de un solo fotograma de Metro Exodus en abril de 2019, donde mostró cómo se presenta el flujo de la información y cómo se ve afectada por el Trazado de rayos.
Mientras que una RTX 2080 y GTX 1080 Ti pueden ser más o menos comparables en rendimiento para juegos sin Trazado de rayos, cuando el Trazado de rayos se aplica a una escena, puede tomar mucho más tiempo para que la 1080 Ti, sin los núcleos de RT dedicados, genere la misma imagen.
Es por eso, por lo que incluso, las tarjetas gráficas GTX más potentes como la 1080 Ti realmente luchan con los juegos con Trazado de rayos en cualquier nivel superior a 1080p. Pero, los núcleos RT no son una bala de plata.
Incluso la 2080 Ti, la tarjeta gráfica de consumo más poderosa del mundo con la mayor cantidad de núcleos RT, lucha por alcanzar 60 FPS o más, en juegos como Battlefield V o Metro Exodus con el Trazado de rayos habilitado a 1440p. Esta, es una tarjeta, que sin el Trazado de rayos habilitado es capaz de ofrecer altas velocidades de cuadros a 4K.
Pero no tiene por qué ser así. El método de Trazado de rayos de Nvidia no es la única opción disponible. También, hay efectos de cambio de procesamiento de “trazado de ruta” que ofrecen imágenes comparables, sin nada parecido al mismo éxito de rendimiento.
Todavía desearás una tarjeta gráfica potente para el Trazado de rayos sin importar la implementación, pero a medida que la técnica se ponga al día con los desarrolladores de juegos, es posible que veamos una gama más amplia de hardware de soporte a precios mucho más asequibles.
¿Qué hay de AMD?
AMD ha tenido algunos problemas en los últimos años para implementar Trazado de rayos en sus tarjetas. Lo único que vimos fue una demostración de Crytek llamada Neon Noir en 2019, que mostró efectos de Trazado de rayos de alto nivel en una AMD RX Vega 56 de $300 dólares, funcionando a 30 FPS.
Pero eso podría cambiar en el futuro con el lanzamiento de las RX 6800, 6800 XT y 6900 XT. Estas nuevas tarjetas vienen con soporte para ray tracing con DirectX 12, aunque las primeras pruebas sugieren que AMD todavía no está a la par de NVIDIA en este apartado.
De todas formas, estas tarjetas debieran tener un mejor rendimiento que las tarjetas de serie RTX 20 de NVIDIA, lo que no es una sorpresa si se toma en cuenta que están basadas en la arquitectura Big Navi. Esta arquitectura es la misma presente en las PlayStation 5 y Xbox Series X, consolas de nueva generación que tienen soporte para ray tracing desde el hardware.
Todavía falta que aparezcan pruebas de rendimiento de terceros para validar el rendimiento de las tarjetas de AMD con Trazado de rayos, pero tomando en cuenta los primeros resultados, lo más posible es que el soporte para la tecnología vaya mejorando con el paso del tiempo.
¿Cómo puedes ver el Trazado de rayos en casa?
Lo primero será tener una tarjeta de las más nuevas -y más caras- para activar el ray tracing. Actualmente los modelos disponibles son los de la serie 20 y 30 de NVIDIA, más la serie RX 6000 de AMD (las tarjetas serie GTX 10 y GTX 16 de NVIDIA también tienen soporte para trazado de rayos, aunque les faltan algunos núcleos físicos para ello).
Pero hay algunas cosas que se deben saber. Las tarjetas RX 6000 de AMD aún no están a la venta, mientras que la RTX 30 de NVIDIA seguirán sin stock por algún tiempo. La serie RTX 20 ya está descontinuada, lo que significa que una vez que se acaben las unidades de las tiendas no se fabricarán más. Por lo tanto, las opciones no son demasiadas.
Ahora, si lo que buscan es jugar a resoluciones mayores a 1080p y tasas de cuadros por segundo de más de 60, lo mejor es buscar una tarjeta de video tope de linea. En resolución 4K, las RTX 3080 y la RX 6800 XT son las mejores, pero con una RTX 3070 o una RX 6800 no habrá problemas para jugar a 1440p de resolución.
En cuanto a los juegos, los que traen soporte para trazado de rayos aún no son muchos pero la oferta está aumentando. Los mejores ejemplos en la actualidad son Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider y Metro Exodus; los tres son de los primeros juegos en incluir la tecnología. En cuánto a títulos más recientes, están Control y MechWarrior 5, mientas que Stay in the Light es una gran muestra de lo que se puede lograr en un juego construido completamente alrededor del trazado de rayos. ¿Buscan algo más clásico? Entonces les podría interesar la remasterización de Quake II con trazado de rayos.
Por otra parte, la PS5 y la Xbox Series X tienen al trazado de rayos como un punto de venta, por lo que solo es cosa de tiempo antes que la mayoría de los juegos vengan con algún tipo de soporte para ray tracing. Y un juego como Watch Dogs Legion es un buen ejemplo de lo que se puede conseguir en un hardware como el de las nuevas consolas.
Y si tienen la duda sobre si sus computadores son compatibles con trazado de rayos (o no), entonces tendrían que darle un vistazo al banco de pruebas de UL que les dirá exactamente si lo que tienen les sirve o si tendrán que hacer algún tipo de inversión.
